变形测量中的数字散斑相关搜索方法

谭理则

【摘要】对数字散斑的研究的方法有很多，本文主要通过仿射变化对其基本原理进行了阐述。通过散斑的位移和其导数与物体变形前后散斑图【1】的联系性进行了分析，并对散斑位移和导数进行的相关算法进行了简化，并提出一些恰当的搜索方法以供参考。同时，通过典型的试验对该方法进行了测定，证明了其确实可行。

【关键词】数字散斑；搜索方法；变形测量；相关分析

一、前言

变形测量作为一个十分重要的测量方法，对其的开发和运用可谓相当的广泛，尤其体现在力学研究中。而数字散斑相关的方法是对光学进行变形测量的一种方法，也就是在物体变形及应变的测量中引入数字散斑的相关方法，并经过不断的发展，逐渐被人们应用到各个重要的领域中，展现出他的优越性。

二、数字散斑在变形测量中运用的发展过程

随着人类的不断探索，人们对力学的研究不断的深入，数字图像技术在力学实验中的运用也越来越广泛。六十年代，Dyson和Dew首次运用电子辅助仪器进行了条纹分析，随后的科学家们也纷纷致力于将图像处理技术引入到力学研究的领域。这主要是由于光测法突出的优点形成的，主要体现在全场与非接触（如全息、散斑法）上，其得到的图像往往也是呈现出条纹状，所以分析重点也转移到对条形图谱的分析上来了。基于这些，科学家们就开始利用图像处理技术对其进行处理，大大减轻了人工分析的工作量。经过不断的发展，到目前为止相关学者已经提出了许多的、成体系的方法供人们使用，实现了一系列的自动、半自动的对条纹进行了跟踪、定级、细分等相关的分析。

三、实验

本文运用到的相关搜索方法，具体的对缸体的转动和移位以及均匀变形都进行了具体的分析验算。对这些做的相关分析计算都是在Magiscan-2A这种图像分析仪上进行的，其采用的扫描阵列是512*512型的，并使用的是6比特（64辉阶）的辉度水平。除此之外，试验中另一个重要的仪器是显微镜，具体目的在于：在需要的时候将散斑颗粒进行调整，调整到与摄像机分辨率相匹配的程度上，使得得出的散斑场的离散误差达到最小，相关的搜索实施是通过实现编制好的程序来实现的。

1、剛体移位

在进行刚体移位试验中，选用的是如【1】所示的两个试件。（A）是一副散斑图，其具体是由一块全息玻璃干板对特定的一个散斑场进行曝光处理而得到的；而（B）则是一块仅仅只印有一些字母而组成的玻璃片，玻璃片上随机分布的字母就可以形成一个相对意义上的散斑场（白光散斑）。在整个实验过程中，借助微调平台和显微镜进行配合，就可对试件施加一定的作用，使其产生一定的位移量。然后，使用摄影机将原始位置的试件进行记录，移位之后再进行一次记录，对这两次采集的信息进行数字化的处理输入Magiscan-2A这种图像分析仪，进行相关的搜索分析。得到的具体实验结果被绘制成下图，对其进行分析可以发现：对位移量的测量最小的、可测定的是0.1像素的位移量，小于这个值之后仪器就不能进行测量了；而最大的可测的位移从原则上来说是没上限的，但对其不能进行测量主要是因为受到摄像机视场的限制。但是对两个刚体进行对比分析发现，两个试件的结果是相当的接近的，这也就表明在对刚体进行位移的测量时，物体表面只需要拥有一些散斑的特性就可进行。本次实验计算所取的散斑子区域的大小介于7*7与17*17像素之间，具体来说，子区域大小对于结果的影响几乎是没有的，只要选取的散斑子区域至少有一个散斑就可以达到相应的目的。

2、刚体转动

同样，也可以采用以上两个试件进行刚体转动试验，转动试验的转角可以通过测量两点的位移差来获取。具体的试验结果表明，对转角的测量最大在15°内，如果刚体的转角超过15°之后，结果就会出现很大的误差，更严重的情况就是无法测出。这是因为刚体在转动的时候一些参数不为零，转角一旦变大，就不得不考虑这些参数的影响。如果忽略了这个重要的条件，就会带来巨大的误差，甚至使原来相关的散斑子区出现不相关的现象，导致对散斑子区的分辨出现问题。

3、面内应变

在进行这个实验中，如果我们采用如【1】的试验仪器来记录来直接测量物面应变，会因为其产生的激光束直径太小，导致即使应变场比较复杂，我们在激光束照射的区域得到应变场仍然是均匀的。这样，采用下图的记录方式以及相关的搜索测量的方法对每个物面产生的应变场产生均可以进行测量。我们用两张全息的干板对物体变形前后的散斑场进行测量，并记录在XOY平面上，经过光学处理得到两张散斑图【1】。在被测量的两个刚体的法线对称位置的两点进行测量，并运用相关的搜索方法计算出相应的散斑位移，再由相关的计算式进行计算，从而得出被测点的应变。在试验中，运用光学显微镜可以使法线对称两点的距离远远大于摄像机的视场范围。采用这种方式，其结果相当于扩大了图像处理机可以扫描到的范围。在显微镜操作的条件下，法线对称的两个点之间的距离就相当于摄像机视场的十倍，理论上来讲相应的最小可测应变应该降低了十倍，同时考虑到地位等相关因素的累积误差，应变的灵敏度提高了4-5倍。试验的结果同时还表明，测量应变的灵敏度和精度主要受到相关分析仪器的图像分辨率的影响，除此之外，还需要合理的选择散斑子区的大小，如果对散斑子区的选择范围过大，费时费力；对散斑子区的选择过小，则容易出现错误的判断，所以，选择适当的散斑区域的大小，可以保证搜索过程快速而准确的进行。

四、结束语

数字散斑技术经过几十年的不断发展和进步，被越来越广泛的进行着运用。这种技术是适合于不能直接对物体 进行接触的测量，同时有希望通过不断的发展实现变形测量的自动化。相信在相关人员的不断努力下，数字散斑技术一定可以得到更高层次的发展。

参考文献

[1]金观昌.计算机辅助光学测量.北京：清华大学出版社，1997： 143～155.

[2]陈俊达.数字散斑相关方法理论和应用研究[D].北京：清华大学，2007.